Géothermie

La géothermie désigne l’énergie géothermique issue de l’énergie de la Terre qui est convertie en chaleur.

On distingue trois types de géothermie :

• la géothermie peu profonde et basse température.
• la géothermie profonde à haute température.
• la géothermie très profonde à très haute température.

Ces trois types de géothermie prélèvent la chaleur contenue dans le sol.
L’énergie géothermique est exploitée dans des réseaux de chauffage et d’eau chaude depuis des milliers d’années en Chine, dans la Rome antique et dans le bassin méditerranéen.
L’augmentation des prix de l’énergie et le besoin d’émettre moins de gaz à effet de serre la rendent plus attrayante. En 2007, en France le BRGM a avec l’ADEME, créé un Département Géothermie pour la promouvoir, après s’être associé à différents programmes de recherche, de travaux de service public. Deux de ses filiales CFG Services (services et ingénierie spécialisée) et Géothermie Bouillante (qui exploite la centrale électrique de Bouillante en Guadeloupe) sont impliquées dans la géothermie.

Origine

La plus grande partie de la chaleur interne de la Terre (87%), est produite par la radioactivité des roches qui constituent le manteau et la croûte terrestre : Radioactivité naturelle produite par la désintégration de l’uranium, du thorium et du potassium.

Principe

La géothermie peu profonde à basse température
Il s’agit principalement d’extraire la chaleur contenue dans le sous-sol afin de l’utiliser pour les besoins du chauffage. Les transferts thermiques peuvent aussi dans certains cas être inversés pour les besoins d’une climatisation. Les procédés d’extraction de l’énergie diffèrent suivant les solutions retenues par les constructeurs. La méthode utilisée pour assurer les transferts thermiques influe beaucoup sur le rendement de l’ensemble. L’utilisation de l’eau comme véhicule thermique améliore le rendement. Lorsque la terre est utilisée seule pour le transfert thermique le rendement est moins bon que lorsque l’on utilise l’eau. La géothermie peu profonde et basse température utilisera donc de plus en plus les nappes d’eau libre contenues dans le sous-sol alluvionnaire de nos rivières. La profondeur des deux forages aspiration et rejet sont peu profonds.

La géothermie profonde à haute température
Les forages sont dans ce cas plus profonds. La profondeur de forage est fonction de la température désirée et du gradient thermique local qui peut varier sensiblement d’un site à l’autre. (en moyenne 4°C par 100 m de profondeur). La méthode utilisée pour les transferts thermiques est plus simple (échangeur de température à contre courant) et ne nécessite pas de fluide caloporteur comme cela est le cas avec la géothermie peu profonde basse température.

La géothermie très profonde à très haute température
Plus on fore profond dans la croûte terrestre, plus la température augmente. En moyenne, l’augmentation de température atteint 20 à 30 degrés par kilomètre. Ce gradient thermique dépend beaucoup de la région du globe considérée. Il peut varier de 3 °C / 100 m (régions sédimentaires) jusqu’à 1000 °C / 100 m (régions volcaniques, zones de rift comme en Islande ou en Nouvelle-Zélande). On distingue classiquement trois types de géothermie selon le niveau de température disponible à l’exploitation :
la géothermie à haute énergie ou géothermie privilégiée exploite des sources hydrothermales très chaudes, ou des forages très profonds où de l’eau est injectée sous pression dans la roche. Cette géothermie est surtout utilisé pour produire de l’électricité.
Elle est parfois subdivisée en deux sous-catégories :

La géothermie haute énergie:
Aux températures supérieures à 150°C qui permet la production d’électricité grâce à la vapeur qui jaillit avec assez de pression pour alimenter une turbine.

La géothermie moyenne énergie:
Aux températures comprises entre 100 et 150°C par laquelle la production d’électricité nécessite une technologie utilisant un fluide intermédiaire.

La géothermie de basse énergie :
On parle de « géothermie basse énergie » lorsque le forage permet d’atteindre une température de l’eau entre 30 °C et 100 °C dans des gisements situés entre 1500 et 2500 m de profondeur. Cette technologie est utilisée principalement pour le chauffage urbain collectif par réseau de chaleur, et certaines applications industrielles.

La géothermie de très basse énergie :
Géothermie des faibles profondeurs aux niveaux de température compris entre 10 et 30°C.
Principales utilisations : le chauffage et la climatisation individuelle par dispositifs thermodynamiques généralement fonctionnant à l’électricité , d’où le terme barbare électro-thermodynamique, appelés plus communément « pompes à chaleurs aérothermiques » (puisant dans l’air extérieur) et « pompe à chaleur géothermique »
Par rapport à d’autres énergies renouvelables, la géothermie de profondeur (haute et basse énergie), présente l’avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent). C’est donc une source d’énergie quasi-continue car elle est interrompue uniquement par des opérations de maintenance sur la centrale géothermique ou le réseau de distribution de l’énergie. Les gisements géothermiques ont une durée de vie de plusieurs dizaines d’années (30 à 50 ans en moyenne).

Géothermie haute énergie
La géothermie haute énergie, ou géothermie profonde, appelée plus rarement géothermie haute température, ou géothermie haute enthalpie, est une source d’énergie contenue dans des réservoirs localisés généralement à plus de 1500 mètres de profondeur et dont la température est supérieure à 150°C. Grâce aux températures élevées, il est possible de produire de l’électricité et de faire de la cogénération (production conjointe d’électricité grâce à des turbines à vapeur et de chaleur avec la récupération des condensats de la vapeur).
Plus l’on fore profond dans la croûte terrestre, plus la température augmente. En moyenne, l’augmentation de température atteint 20 à 30 degrés par kilomètre. Ce gradient thermique dépend beaucoup de la région du globe considérée. Les zones où les températures sont beaucoup plus fortes, appelées anomalies de température, peuvent atteindre plusieurs centaines de degrés pour de faibles profondeurs. Ces anomalies sont observées le plus souvent dans les régions volcaniques. En géothermie, elles sont désignées comme des gisements de haute enthalpie, et utilisées pour fournir de l’énergie, la température élevée du gisement (entre 80 °C et 300 °C) permettant la production d’électricité.
L’exploitation de la chaleur provenant de la géothermie haute énergie est ancienne. Les bains dans des sources chaudes étaient déjà pratiqués dans l’Antiquité dans de nombreuses régions du monde. C’est au début du XXe siècle qu’une centrale géothermique de production d’électricité a été pour la première fois réalisée à Larderello (Italie). La géothermie haute température connaît actuellement un renouveau important, notamment parce que la protection contre la corrosion et les techniques de forage se sont fortement améliorées.

De nouvelles applications technologiques sont envisageables pour récupérer la chaleur de la Terre.
La cogénération permet déjà de combiner la production de chaleur et d’électricité sur une même unité, et augmente ainsi le rendement de l’installation. Un projet européen de géothermie profonde à Soultz-sous-Forêts vise à produire de l’électricité grâce au potentiel énergétique des roches chaudes fissurées (en anglais Hot Dry Rock)

La géothermie dans le monde.

La géothermie est la source d’énergie principale de l’Islande. Il existe trois centrales électriques importantes qui fournissent environ 17% (2004) de la production d’électricité du pays. De plus, la chaleur géothermique fournit le chauffage et l’eau chaude d’environ 87% des habitants de l’île.
L’une des sources géothermiques les plus importantes est située aux États-Unis. The Geysers, à environ 145 km au nord de San Francisco, démarra la production en 1960 et dispose d’une puissance de 2000 mégawatts électriques. Il s’agit d’un ensemble 21 centrales électriques qui utilisent la vapeur de plus de 350 puits2. La Calpine Corporation gère et possède 19 des 21 installations. Au sud de la Californie, près de Niland et Calipatria, une quinzaine de centrales électriques produisent environ 570 mégawatts électriques.
La géothermie est particulièrement rentable dans la zone du Rift en Afrique. Trois centrales ont récemment été construites au Kenya, respectivement de 45 MW, 65 MW et 48 MW. La planification prévoit d’augmenter la production de 576 MW en 2017, couvrant 25% des besoins du Kenya, et réduisant ainsi la dépendance du pays aux importations de pétrole 3.
En Guadeloupe, la seule référence française en matière de géothermie haute température se situe à Bouillante, non loin du volcan guadeloupéen de la Soufrière. Il a été réalisé en 1984 un premier forage d’une profondeur de 300 m sur la base duquel l’installation d’une centrale de 5 MW a été décidée. Très proches de ce site, trois nouveaux puits de production plus profonds (1 km en moyenne) ont été mis en service en 2001 et une centrale, construite en 2003 (Bouillante 2), a permis de mettre en production, à fin 2004, 11 MW supplémentaires. Ce nouvel apport d’énergie couvre environ 10% des besoins annuels en électricité de l’île.
En France métropolitaine, on fore actuellement à grande profondeur (de l’ordre de 5 000 m à Soultz-sous-Forêts 4) dans des « roches chaudes sèches » où de l’eau est injectée ; on crée ainsi un échangeur thermique.
En Allemagne, une centrale utilisant la géothermie de 3,4 mégawatts, devrait fonctionner à Unterhaching près de Munich , et produire en cogénération de la chaleur et de l’électricité. Le forage a atteint 3350 mètres de profondeur, et 150 litres d’eau jaillissent par seconde à une température de 122°C.

L’électricité est produite à partir de la géothermie dans plus de 20 pays dans le monde : la Chine, l’Islande, les États-Unis, l’Italie, la France, l’Allemagne, la Nouvelle-Zélande, le Mexique, le Nicaragua, le Costa Rica, la Russie, les Philippines, l’Indonésie, le Japon, le Kenya et le Canada.

 

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